一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，該鐵基復(fù)合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及Ni、Mo、Si和B元素構(gòu)成。該鐵基復(fù)合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為：Cr：38～40％；C：4.2～4.5％；Ni：3～5％；Mo：0.05～0.08％；Si：0.8～1.02％；B：1.2～1.78％；其余為Fe。該鐵基復(fù)合粉末的粒度介于+140目～-325目之間。該粉末含有較高含量的C、Cr元素，可有效的提高涂層的硬度，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求，其樣品熔覆層無(wú)裂紋、無(wú)宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達(dá)到HV0.21000，是基體硬度的5倍，且高Cr含量提高了鐵基復(fù)合粉末熔覆層的耐腐蝕性，可用于常溫和高溫耐磨和耐腐蝕的工作條件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光熔覆【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末。
【背景技術(shù)】
[0002]激光表面改性技術(shù)已廣泛應(yīng)用于零件表面微觀結(jié)構(gòu)和成分改良，以提高其耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性等性能。作為激光表面改性領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，激光熔覆技術(shù)可以不受基體材料的制約，是改良材料表面性能的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段，它利用激光光源的高能量，將特定的合金粉末與基材表面形成一復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程和快速凝固過(guò)程，在基材表面形成結(jié)合致密的冶金涂層。與傳統(tǒng)的表面涂層技術(shù)，如熱噴涂、等離子熔覆等技術(shù)相比，激光熔覆具有熱影響區(qū)小，熱型變量小，熔覆層組織晶粒細(xì)小、熔覆層和基底的結(jié)合為冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)可在低成本的基材上制備高性能的表面涂層以節(jié)省大量的貴重合金、稀有金屬等材料，極大的降低了制作成本，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、模具軋輥等工業(yè)應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]然而，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有激光熔覆專(zhuān)用的金屬粉末，大多為熱噴涂所用的自熔性合金粉末，其中市場(chǎng)上常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末元素質(zhì)量百分比如下:C:0.1 ?0.5%，Cr:10 ?13%, B:0.5 ?1.6%, Si:0.5 ?1.2%，余量為 Fe，這些粉末用于激光熔覆存在很多問(wèn)題，比如裂紋、氣孔、成分不均勻等，不能完全滿足和適用于特定基材的激光熔覆工藝要求，限制了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用。自熔性合金粉末主要組成元素有:C、Fe、N1、Co、Cr、S1、B等，根據(jù)其主要成分的不同，主要分為鐵基合金粉末、鎳基合金粉末和鈷基合金粉末，其具有脫氧、還原、造渣、除氣、潤(rùn)濕金屬表面、良好的固態(tài)流動(dòng)性、適中的粒度、含氧量較低等特性。然而，相比熱噴涂，自熔性合金粉末用于激光熔覆技術(shù)時(shí)，合金從熔化到冷卻速度更快，是一急熱急冷的過(guò)程，造成了熔覆層內(nèi)枝晶偏析更嚴(yán)重，且一些脆性低熔點(diǎn)的化合物來(lái)不及浮到熔池表面而殘留在涂層內(nèi)，使熔覆層內(nèi)易形成氣孔和裂紋，特別是硬度高于HVa2500時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。由于實(shí)際生產(chǎn)中的金屬零件主要是鐵基基體材料，鐵基合金粉末與鐵基基體結(jié)合良好，成本相比鎳基和鈷基的較低，易于研究和推廣應(yīng)用。因此開(kāi)發(fā)激光熔覆專(zhuān)用的鐵基合金粉末具有重要的戰(zhàn)略意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，以解決激光熔覆自熔性合金粉末時(shí)所產(chǎn)生的缺陷，實(shí)現(xiàn)激光熔覆的應(yīng)用。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，該鐵基復(fù)合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構(gòu)成。
[0008]上述方案中，該鐵基復(fù)合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ;C:4.2?4.5% ；Ni:3 ?5% ；Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。
[0009]上述方案中，該鐵基復(fù)合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
[0010]上述方案中，所述Cr3C2Xr和Fe的化合物在激光熔覆時(shí)可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能夠有效提高熔覆層的硬度和耐磨性。
[0011]上述方案中，所述Cr元素能夠提高鐵的電極電位，阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，提高了熔覆層的耐腐蝕性。
[0012]上述方案中，所述Si和B元素在激光熔覆時(shí)起到脫氧、造渣和潤(rùn)濕的作用，其中元素Si和Fe能夠生成熔覆層中的韌性相Y ’ (Fe, Si)。
[0013]上述方案中，所述Ni元素能夠增加涂層的潤(rùn)濕性，提高熔覆層的潤(rùn)濕角，并提高熔覆層表面的光滑程度和亮度。
[0014]上述方案中，所述Mo元素能夠細(xì)化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0015]上述方案中，該鐵基復(fù)合粉末在激光熔覆，其熔覆層無(wú)裂紋、無(wú)宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度是基體硬度的5倍。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其結(jié)構(gòu)主要由Cr3C2, Cr和Fe的化合物，以及少量N1、Mo、S1、B組成。其中Cr3C2, Cr和Fe的化合物在激光熔覆時(shí)可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，可有效提高熔覆層的硬度和耐磨性；Si和B在激光熔覆中起到脫氧、造渣和潤(rùn)濕等作用，其中元素Si和Fe可生成熔覆層中的韌性相Y’(Fe，Si) ;Ni元素可以增加涂層的潤(rùn)濕性，提高熔覆層的潤(rùn)濕角，并提高了熔覆層表面的光滑程度和亮度；而少量的Mo元素可細(xì)化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0019]2、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，與鐵基基體結(jié)合良好，成本相比鎳基和鈷基的較低，其中高鉻含量一可以增加熔覆層中的碳化鉻硬質(zhì)相，進(jìn)而提高了鐵基復(fù)合粉末熔覆層的硬度；二鉻元素可以提高鐵的電極電位，阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，并且使熔覆層的內(nèi)部電極電位基本一致，減小其原電池腐蝕，進(jìn)而提高了鐵基復(fù)合粉末熔覆層的耐腐蝕性，可用于常溫和高溫耐磨和耐腐蝕的工作條件。
[0020]3、本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末是針對(duì)激光熔覆特別研制的，其熔覆層無(wú)裂紋、無(wú)宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達(dá)到HVa2IOOO,約是基體硬度的5倍，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求，可開(kāi)發(fā)石油鉆桿接頭、螺旋輸送器水輪機(jī)葉片、高爐料鐘、料頭、泥漿泵、粉碎機(jī)、襯板等部件的應(yīng)用潛力。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末的組分占比示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層截面的光鏡掃描照片；
[0023]圖3是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層能譜檢測(cè)圖；[0024]圖4是本發(fā)明提供的激光熔覆樣品的熔覆層硬度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末的組分占比示意圖，該鐵基復(fù)合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構(gòu)成。其中，該鐵基復(fù)合粉末中各元素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ；C:4.2?4.5% ;Ni:3 ?5% ；Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。該鐵基復(fù)合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
[0027]對(duì)于上述用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，各元素和含量作用分析如下:
[0028]I)相比于常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復(fù)合粉末中C元素含量高出9倍可達(dá)到4.5 %，析出的C會(huì)生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，硬質(zhì)相的增多可有效提高熔覆層的硬度和耐磨性；
[0029]2)相比于常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復(fù)合粉末中Cr元素含量高出4倍左右可達(dá)到40%，高含量Cr元素既可以增加熔覆層中的碳化鉻硬質(zhì)相，進(jìn)而提高了鐵基復(fù)合粉末熔覆層的硬度；高含量Cr元素又可以提高鐵的電極電位，阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，并且使熔覆層的內(nèi)部電極電位基本一致，減小其原電池腐蝕，進(jìn)而提高了鐵基復(fù)合粉末熔覆層的耐腐蝕性；
[0030]3)相比于常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復(fù)合粉末中添加了少量Ni元素，Ni元素可以增加涂層的潤(rùn)濕性，提高熔覆層的潤(rùn)濕角，并提高了熔覆層表面的光滑程度和亮度，此外Ni元素也可以提高熔覆層的耐腐蝕性；
[0031]4)相比于常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復(fù)合粉末中B元素和Si元素也較高，Si和B在激光熔覆時(shí)起到脫氧、造渣和潤(rùn)濕等作用，減少了熔覆層中的氣孔和裂紋的產(chǎn)生；
[0032]5)相比于常見(jiàn)的Fe基自熔性合金粉末，本發(fā)明提供的鐵基復(fù)合粉末中添加了少量的Mo元素，Mo元素可細(xì)化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
[0033]此外該粉末粒度介于+140目?-325目之間，送粉時(shí)可均勻送出，在熔覆界面具有良好的流動(dòng)性，既可迅速熔化又不會(huì)被燒蝕損耗。
[0034]本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)激光熔覆而開(kāi)發(fā)的合金粉末，其熔覆層具有耐磨、耐腐蝕等特性，無(wú)裂紋、無(wú)宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度可達(dá)到HVa2IOOO,是基體硬度的5倍，可滿足和適用于碳鋼、不銹鋼等鐵基基材的激光熔覆工藝要求。可開(kāi)發(fā)石油鉆桿接頭、螺旋輸送器水輪機(jī)葉片、高爐料鐘、料頭、泥漿泵、粉碎機(jī)、襯板等部件的應(yīng)用潛力。
[0035]基于本發(fā)明提供的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，將其應(yīng)用于具體場(chǎng)景。
[0036]具體場(chǎng)景1:[0037]在尺寸為IOOmmX IOOmmX IOmm的Q235碳鋼基板表面進(jìn)行激光熔覆，粉末與基材的成分如表1所示。
[0038]表1粉末與基材的成分(wt % )
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，該鐵基復(fù)合粉末是由Cr3C2、Cr和Fe的化合物，以及N1、Mo、Si和B元素構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，該鐵基復(fù)合粉末中各兀素的質(zhì)量百分比為:Cr:38?40% ;C:4.2?4.5% ;N1:3?5%;Mo:0.05 ?0.08% ；S1:0.8 ?1.02% ；B:1.2 ?1.78% ;其余為 Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，該鐵基復(fù)合粉末的粒度介于+140目?-325目之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，所述Cr3C2、Cr和Fe的化合物在激光熔覆時(shí)可生成M23C6碳化物，為熔覆層中的硬質(zhì)相，其中M代表Cr、Fe和Ni，能夠有效提高熔覆層的硬度和耐磨性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，所述Cr元素能夠提高鐵的電極電位，阻止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，提高了熔覆層的耐腐蝕性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，所述Si和B元素在激光熔覆時(shí)起到脫氧、造渣和潤(rùn)濕的作用，其中元素Si和Fe能夠生成熔覆層中的韌性相Y ’(Fe，Si)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，所述Ni元素能夠增加涂層的潤(rùn)濕性，提高熔覆層的潤(rùn)濕角，并提高熔覆層表面的光滑程度和亮度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，所述Mo元素能夠細(xì)化熔覆層的組織，提高熔覆層的韌性和耐磨性，并降低熔覆層的裂紋敏感性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光熔覆的含有高鉻含量的鐵基復(fù)合粉末，其特征在于，該鐵基復(fù)合粉末在激光熔覆，其熔覆層無(wú)裂紋、無(wú)宏觀氣孔、成分分布均勻，硬度是基體硬度的5倍。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103752818SQ201410027410
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】林學(xué)春, 王奕博, 趙樹(shù)森, 高文焱, 周春陽(yáng), 劉發(fā)蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所